走近前沿新材料II：锑化物超晶格——黑暗中的捕光者

蒋洞微  徐应强

中国科学院半导体研究所

“隐形的光线”——红外线

自然界中任何高于绝对零度的物体，都会释放电磁波。且温度越高，辐射的电磁波波长就越短。按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来，就是如图1所示的电磁波谱，电磁波按频率由高至低可分为γ射线、x射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波（分为长波、中波、短波和微波）以及工频电波。其中宇宙射线（x射线、γ射线和波长更短的射线）波长最短，无线电波波长最长。每个波段的射线都有其应用。例如，无线电波主要用于通信，微波用于微波炉，红外线用于遥控，热成像仪，红外制导导弹等，可见光是大部分生物用来观察事物的基础，紫外线用于医用消毒，测量距离，工程探伤等，x射线用于CT扫描，γ射线用于放射性物质检测，治疗肿瘤等。

图1 电磁波谱波长与频率大小

在电磁波谱中，波长（0.75μm-1000μm）介于可见光和微波之间，人无法通过肉眼看见的电磁波是红外线，世界上所有的物体都能辐射红外线。红外线最早是由英国物理学家赫谢尔（W. Herschel）于1880年在观察太阳光棱镜的热效应实验中被发现。赫谢尔通过棱镜将太阳光进行折射，发现太阳光经折射后，在可见光以外的区域也存在温度升高的现象，从而推断出存在一种不可见的光线——红外线（图2(a)）。接下来的一个多世纪，对红外线的研究使得人们增大了对世界的认知。任何物体都具有不断辐射红外线的本领，且辐射出去的红外线在各个波段的强度是不同的，具有一定的分布性。这种光谱强度的分布与物体的温度以及本身特性相关，我们称为热辐射。图2（b）所示为不同温度物体辐射的电磁波谱强度分布。如，0℃左右的海水，它的峰值辐射红外线波段为11μm；20℃左右的人体或飞行器壳体，其峰值辐射的红外线波段为9.84μm；500~1000℃左右的飞行器尾焰，其峰值辐射的红外线波段为3~5μm。因此，无论在民用还是军事上，对红外线的捕捉都有着极其重要的应用。

图2  (a) W. Herschel发现红外线，    (b) 不同温度物体辐射的电磁波谱

捕光能手——锑化物超晶格红外材料

我们把捕捉红外线的“捕快”统称红外探测器。目前最新一代的“捕快”是基于锑化物超晶格材料的红外探测器。Sai-Halasz等[2]科学家于1970年代首次提出超晶格概念。图2(a)所示，该超晶格由砷化铟(InAs)与锑化镓(GaSb)两种化合物半导体材料以数个到几十个原子层交替叠加生长若干周期而成，形成一个二维周期性结构。多层薄膜的周期可以在生长时人为控制，因而得到了人造的晶体结构即锑化物超晶格。这种人造超晶格有着独特的能带结构，如图3(b)所示。其能带结构是断开型的，电子和空穴分别被限制在InAs与GaSb层中。我们可以通过调节InAs或者GaSb的原子层数来控制超晶格的能带宽度，从而实现材料具备不同的“ 捕光”性能,进而实现对整个红外线光谱的探测。

图3  (a) InAs/GaSb超晶格原子级观测结构，(b)能带结构

锑化物超晶格材料体系其实是一个庞大家族，除了前面提到的用InAs与GaSb组成的超晶格外，还可以用晶格大小约为6.1Å材料家族的其他成员，两两组合，甚至三种材料按照上述超晶格定义进行人工合成，形成新的超晶格材料。6.1Å材料家族如图4所示，在半导体技术中十分重要。它包括3个晶格常数彼此匹配的化合物半导体：InAs(a=6.0584Å)，GaSb(a=6.0959Å)和AlSb(a=6.1355Å)。上述6.1Å族化合物半导体材料的各种组合，可以形成多种多样的锑化物超晶格结构，从而实现对整个红外波段的探测。

图4  (a) InAs, GaSb, AlSb与其他半导体的带隙与晶格常数, (b)InAs, GaSb与AlSb能带图

锑化物超晶格红外探测器应用

红外探测作为黑暗中的捕光者，在民用与军事方面有着广泛应用。如医学的疾病检测，环境的空气质量监测，测温，矿藏探测，工业探伤以及军事方面的导弹制导与夜视等。

环境的空气质量监测。随着人们对生活质量的提高，对生活环境的检测也越来越得到重视。在大部分空气质量监测的设备中，用的最广泛的是红外探测设备。其对空气质量监测的原理是：当红外辐射光源所辐射出的光子通过所监测的气体分子或其他颗粒分子时，红外线被介质中的振动的化学键吸收。被吸收波长或被吸收的能量取决于该气体分子或其他颗粒分子中的化学键的结构，不同物质有各自的吸收特性。特定波长的红外线被吸收后，其余波长可顺利通过监测气体到达红外探测器，从而检测到特定的分子，并且确定气体分子的浓度。锑化物超晶格红外探测器可对2.5μm到15μm范围内的气体分子进行有效探测，今后将在炼油厂、钻井平台、加油站、化工厂、LNG/LPG液化气储存罐、隧道、矿井等环境下有着极其重要的应用，可以使更多的事故防范于未然。

造福人类健康—红外设备的医学应用。红外探测器在医疗方面也得到越来越多的重视。主要用于诸多疾病的红外医疗检验。那么对于疾病的红外检测是如何实行的呢？研究表明，人体中的化学物质和气体可以通过人的呼吸被发现。人们呼出的气体包括CO2、O2、N2、H2O等，是一个复杂的混合体。这些气体伴随着人体机能的调节，并对一些与生物标记有关的化合物成分进行跟踪。基于此机理，人们研究出一种呼吸分析器，对呼出的气体进行红外检测，作为一种非侵入性对人体无损的诊断性测试，从而判断是否存在特定的疾病的可能性。表1是与健康条件相关的呼吸气体中的生物标记以及红外吸收。

此外，红外探测器通过红外成像在医学方面可以直接扫描出生物各个病原体的特征，从而能够进行疾病检测，如：乳腺癌、SARS发热、前列腺炎、脊椎扫描，全身扫描、皮肤癌、血管检查等等。如图5所示，红外成像是目前乳腺癌检测的最有效方式。这类检测方法的好处是简便快捷，且是一种对人体无损伤无接触式的检测，因此其发展前景也是巨大的。

图5  红外成像在医学上的应用

红外探测设备在防控新冠肺炎中的应用。2019年末开始，新冠肺炎席卷中国，随后又成为全球性的流行病。随着新冠肺炎持续蔓延，隔离发病和潜伏期患者是遏制疫情最重要的手段之一。在机场、火车站、地铁、商场、学校等人流密集的公共场所监控疫情成为不可缺少的需求。病毒性传染病的一个普遍特征是人体发热，因此，适用于密集场所的红外体温检测设备需求大增。红外测温的原理如图6所示，通过红外传感器收集被测目标的红外辐射信号，该信号经过放大器和信号处理电路处理，并按照一定的算法和目标发射率校正后，最终转变为被测目标的温度值，实现测温的目的。

图6  红外成像系统基本组成部分

目前市场上部分红外成像设备可满足10米距离下，对各公共场合多位行人进行批量无感监测筛查，测温精度优于±0.1度。相较于手持式体温检测设备，这种红外成像设备更方便，快捷，也更安全。 图7所示为疫情防护期间，通过红外成像仪对复工人员进行的人体体温检测，方便快捷有效。

图7 红外成像测温实时监控

红外探测器的军民两用。民用方面，使用红外成像设备，可以通过观察物体的温度变化，诊断出所研究物体的很多信息，避免对物体进行接触式研究。图7显示了一个火灾现场图，上图是红外成像，下图是普通相机拍摄画面。通过红外成像的辅助，有利于消防队员对火灾现场进行判断，进行更好的灭火营救工作。(b)图是一个食品安全检查，在一个冷藏柜中检验出发生质变的鸡肉。(c)图是在一个变电站中，检查是否存在电线防护套的破损或腐蚀。电网系统中，对高压线线路的检测也是通过红外探测进行的。目前，没有一种检测方法比红外检测更加简便、安全和可靠。

图7  红外成像的应用 (a)火灾现场，(b)食品扫描，(c)电网检测

军事方面，红外成像应用广泛，常见的包括导弹制导、夜视以及目标追踪等。.对于红外夜视，可以使得军队人员在黑夜无光环境下，清晰看清周围环境，在战斗中占得先机。如图8所示。在导弹制导方面，近程的导弹一般采用红外制导，远程导弹采用雷达、GPRS以及红外综合制导。图8(b)是导弹制导示意图。红外制导有诸多优势，如无源探测、高灵敏度、高分辨成像特性；光学系统结构简单，使得成本低、重量轻、功耗少以及体积小；抗干扰性强等等。此外，红外预警系统也成为这些年来各国的研发重点。红外预警系统主要是为了探测在低空以及超低空飞行的高性能飞行器，以及与其他预警系统一起，共同承担着对各类导弹的预警，对目标进行识别、追踪以及拦截。

图8  红外成像在军事中的应用 (a) 红外夜视；(b) 红外制导

综上所述，高性能红外光电探测器作为黑暗中的捕光者，已经进入第三代红外探测器的发展阶段。第三代红外探测技术将极大拓展红外探测器件在现代军事装备及信息化工业社会中的应用领域。锑化物超晶格红外材料以其独特的红外技术特征成为目前国际上公认的的第三代红外探测材料但同时也面临一定的技术挑战。但不可置否，锑化物超晶格红外探测器的实验室研究及产业化都具备广阔的前景。

 参考文献从略 

《走近前沿新材料2》

中国科学技术大学出版社

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高等教育分社：杨振宁  [e-mail]  0551-63607216

内容简介

　　我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。本书涵盖了18种最新的前沿新材料，主要包括信息智能仿生材料、纳米材料、医用材料以及新能源和环境材料。所选内容既有我国已经取得的一批革命性技术成果，也有国际前沿材料、先进材料的研究成果，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是本硕博研究生更好地学习和了解前沿新材料。

目 录

锑化物超晶格——黑暗中的捕光者

隐身材料——让“隐身”不再局限于科幻

液晶——物质存在的第四态

有机光电器件——导电塑料

神奇的缓释控释材料

抗菌纤维

气凝胶——“冻结的烟雾”

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